Op het eerste gezicht, warmte en koude hebben niet veel te maken met kwantumfysica. Een enkel atoom is niet warm of koud. Temperatuur kan traditioneel alleen worden gedefinieerd voor objecten die uit veel deeltjes bestaan. Maar aan de TU Wien, in samenwerking met FU Berlijn, Nanyang Technological University in Singapore en de Universiteit van Lissabon, het is nu mogelijk om te laten zien welke mogelijkheden er ontstaan ​​als thermodynamica en kwantumfysica worden gecombineerd:Men kan met kwantumeffecten gericht een wolk van ultrakoude atomen verder afkoelen.

Het maakt niet uit welke geavanceerde koelmethoden eerder zijn gebruikt - met deze techniek, die nu is gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordeling X-Quantum , het is mogelijk om iets dichter bij het absolute nulpunt te komen. Er is nog veel werk nodig voordat dit nieuwe koelconcept kan worden omgezet in een echte kwantumkoelkast, maar de eerste experimenten tonen al aan dat de noodzakelijke stappen in principe mogelijk zijn.

Een nieuw onderzoeksgebied:kwantumthermodynamica

"Voor een lange tijd, thermodynamica heeft een belangrijke rol gespeeld voor klassieke mechanische machines - denk aan stoommachines of verbrandingsmotoren, bijvoorbeeld. Vandaag, kwantummachines worden op kleine schaal ontwikkeld. En daar, thermodynamica heeft daar tot nu toe nauwelijks een rol gespeeld", zegt prof. Eisert van de Vrije Universiteit van Berlijn.

"Als je een kwantumwarmtemachine wilt bouwen, je moet voldoen aan twee vereisten die fundamenteel tegenstrijdig zijn, ", zegt prof. Marcus Huber van de TU Wien. "Het moet een systeem zijn dat uit veel deeltjes bestaat en waarin je niet elk detail precies kunt controleren. Anders kun je niet van warmte spreken. En op hetzelfde moment, het systeem moet eenvoudig genoeg en voldoende nauwkeurig bestuurbaar zijn om kwantumeffecten niet teniet te doen. Anders, je kunt niet praten over een kwantummachine."

"In 2018, we kwamen op het idee om de basisprincipes van thermische machines over te brengen naar kwantumsystemen door kwantumveldbeschrijvingen van veellichaamsquantumsystemen te gebruiken, ", zegt prof. Jörg Schmiedmayer (TU Wien). Nu heeft het onderzoeksteam van TU Wien en FU Berlin in detail onderzocht hoe dergelijke kwantumwarmtemachines kunnen worden ontworpen. Ze werden geleid door het werkingsprincipe van een gewone koelkast:aanvankelijk, alles heeft dezelfde temperatuur - de binnenkant van de koelkast, het milieu en de koelvloeistof. Maar als je de koelvloeistof in de koelkast verdampt, daar wordt warmte onttrokken. De warmte komt dan weer naar buiten wanneer de koelvloeistof weer vloeibaar wordt gemaakt. Door de druk te verhogen en te verlagen is het dus mogelijk om de binnenkant te koelen en de warmte af te geven aan de omgeving.

De vraag was of er ook een quantumversie van zo'n proces zou kunnen zijn. "Ons idee was om hiervoor een Bose-Einstein-condensaat te gebruiken, een extreem koude toestand van materie, " zegt prof. Jörg Schmiedmayer. "De afgelopen jaren we hebben veel ervaring opgedaan met het zeer nauwkeurig controleren en manipuleren van dergelijke condensaten met behulp van elektromagnetische velden en laserstralen, onderzoek naar enkele van de fundamentele fenomenen op de grens tussen kwantumfysica en thermodynamica. De logische volgende stap was de kwantumwarmtemachine."

Herverdeling van energie op atomair niveau

Een Bose-Einstein condensaat is verdeeld in drie delen, die aanvankelijk dezelfde temperatuur hebben. "Als je deze subsystemen precies op de juiste manier koppelt en weer van elkaar scheidt, je kunt bereiken dat het deel in het midden als een zuiger fungeert, bij wijze van spreken, en zorgt ervoor dat warmte-energie van de ene naar de andere kant kan worden overgedragen, " legt Marcus Huber uit. "Als gevolg hiervan, een van de drie subsystemen is afgekoeld."

Zelfs in het begin, het Bose-Einstein-condensaat bevindt zich in een toestand van zeer lage energie, maar niet helemaal in de laagst mogelijke energietoestand. Sommige energiekwanta zijn nog steeds aanwezig en kunnen van het ene subsysteem naar het andere veranderen - deze staan ​​bekend als 'excitaties van het kwantumveld'.

"Deze excitaties nemen in ons geval de rol van de koelvloeistof over, ", zegt Marcus Huber. "Echter, er zijn fundamentele verschillen tussen ons systeem en een klassieke koelkast:in een klassieke koelkast, warmtestroom kan maar in één richting plaatsvinden:van warm naar koud. In een kwantumsysteem het is ingewikkelder; de energie kan ook van het ene subsysteem naar het andere gaan en dan weer terugkeren. Je moet dus heel precies regelen wanneer welke subsystemen moeten worden aangesloten en wanneer ze moeten worden ontkoppeld."

Tot dusver, deze kwantumkoelkast is slechts een theoretisch concept, maar experimenten hebben al aangetoond dat de noodzakelijke stappen haalbaar zijn. "Nu we weten dat het idee in principe werkt, we zullen proberen het in het lab te implementeren, ", zegt Joao Sabino (TU Wien). "We hopen in de nabije toekomst te slagen." Dat zou een spectaculaire stap voorwaarts zijn in de cryogene fysica, want welke andere methoden je ook gebruikt om extreem lage temperaturen te bereiken, je zou altijd de nieuwe 'quantum koelkast' aan het einde kunnen toevoegen als laatste extra koelfase om een ​​deel van het ultrakoude systeem nog kouder te maken. "Als het werkt met koude atomen, dan kunnen onze ideeën worden geïmplementeerd in veel andere kwantumsystemen en leiden tot nieuwe kwantumtechnologietoepassingen, ", zegt Jörg Schmiedmayer.